道中华丨你知道吗？这个常见小物件竟是两千年前的“神器”！
大家好，我是一枚齿轮，我虽然小，但却是机械中的一个重要零件哦。不管是高精尖的航空航天工程，还是儿童玩具汽车，我都无处不在。我不仅是现代机械领域的常驻“成员”，还是探索中国古代科技发展的神奇“钥匙”。
公元前3世纪末，我便悄然出现，并以陶范（陶制范模、印模）的身份刻入历史的进程中。上世纪50年代，四套不同规格的齿轮陶范在山西省重见天日，年代为公元前600年，至今已经最少有2400年了。这一重大发现，更新了世界齿轮起源的历史，不仅是对我们齿轮家族古老身份的确认，更是对中国古代科技智慧的一次崇高致敬。
▲出土于山西省侯马东周晋国铸铜遗址的青铜齿轮陶范
成就农业济世之术
在古代，农民耕作极为辛苦，但是齿轮出现，简化了农耕方式，极大地减轻了农耕的繁重，降低了生产成本，推动了农业生产力的发展。
随着农耕文明的进步与成熟，齿轮参与构建的农具数量迅速增长，齿轮技术也得到了显著提升。其中，龙骨水车和水转连磨就是齿轮技术应用的杰出代表。
“翻车”是一种能用于农业灌溉、排水等的工具，唐宋时期便已经得到普遍应用。南宋陆游在《春晚即景》中说“龙骨车鸣水入塘，雨来犹可望丰穰”，说的就是通过齿轮的传动，将水流的动能转化为水车灌溉的动能，从而实现农田的自动灌溉。
▲《天工开物》中描绘的“拔车”，是一种靠人力操作的小型翻车。（图片来源：中国机械工程数字博物馆官网）
翻车又被称为龙骨水车，据宋应星《天工开物》记载，采用龙骨水车后，一个人工作一天，可以灌溉田地五亩，而用牛则能加倍。
由于龙骨水车在古代中国科技发展和农业耕作中的卓越贡献，2016年被中国科学院推选为“中国古代重要科技发明创造”之一。
▲《王祯农书》中的水转连磨样式（图片来源：《农书译注》下册）
水转连磨是一种自动研磨谷物的加工工具，有着高品质高效率的特点。它的主要构件是一个水轮和九个石磨。这种水转连磨可以带动九磨，功能丰富且实用，稍加改装后就能带动重量极大的物体，如高转筒车等。据《王祯农书》记载，如果使用水转连磨，一天磨好的谷食，可供给一千家。“诚济世之奇术也。”
相比于手动灌溉耗时长、人力消耗大，齿轮的多齿槽使得水转连磨能在齿轮运作中不间断进行灌溉，具有高速率、高效率和高功率的特点。水转连磨的发明与普及减轻了农民的负担，极大提高了农业生产的整体效率，推动了农业文明的发展进程。
万转不离其“南”
作为一项历史悠久的发明，齿轮更是在中国古代科技发展中大展拳脚。指南车便是其中一个独特的代表，也是我国古代工程发明史上浓墨重彩的一笔，被评价为“世界上第一个自适应系统”。
指南车是用于指示方向的车，只要在车开始运动时将车上木人手指向南方，便能“车虽回运而手常指南”。指南车虽然与指南针功能相同，但是原理迥然不同。指南车通过运用车轮、滑轮、各种齿轮和绳索等，利用机械原理指示方向，而指南针则依据地磁场指示方向。
虽然指南车自诞生后历朝历代被多次仿制或重新制作，但其核心原理几乎都利用差动齿轮（通过允许左右轮以不同的速度旋转，以保持车辆的平衡和控制）装置。
▲北宋指南车模型（图片来源：中国科学院官网）
《宋史》中有对指南车内部结构的详细描述。上层有十三个齿轮的排列，因各轮的齿数相同，所以四位童子、龟与鹤的转动同木仙人一致。
▲北宋吴德仁指南车上层齿轮系排列图（图片来源：刘仙洲《中国古代对于齿轮系的高度应用》）
当车直线行驶时，木仙人下面的大齿轮与左右两个小平轮脱离，使得木仙人不受轮转动的影响；当车向左或向右转弯时，差动齿轮根据车轮转速差异传递运动，离合装置则控制木仙人指向轴的转动方向和幅度，确保无论车辆如何移动，木仙人的手臂都能准确地指向预设的南方。
齿轮系在指南车不同行使情况下调整内部结构，为指南车的指路木人的指向提供反向补偿的动力，体现了古代机械家的智慧与科技发展的水平，为后代的科技创新提供了十分有意义的参考。
观测星空的力量
齿轮在古代天文学中扮演了至关重要的角色，它是观测工具的重要组成部分，成为连接人类与星空的纽带。自汉代以来，天象的记录和测量精度达到了极高的水准，其观测结果与现代实测数据相去不远。齿轮在推动古代天文学发展中作出了显著的贡献。东汉张衡研究的世界第一架用水力推动的“浑天仪”中，齿轮便是其中的重要元件。
▲北京颐和园长廊彩画：张衡与浑天仪（图片来源：视觉中国）
▲南京钟山风景名胜区紫金山浑天仪（图片来源：视觉中国）
张衡的浑天仪构造十分精巧，它通过水轮的驱动，使得代表天象的浑象每天自转一周，模拟了天体的自运动；并以此间接带动另一个轴完成一月一转，通过蓂荚每天的变化来记录当月的日期。
蓂荚，中国古代传说中能随着月亮的盈亏而生长和落叶的一种植物。在张衡的浑天仪中，蓂荚被设计为一种机械装置，通过滴水推动模拟月亮的周期变化，用以表示月相和日期，相当于一个自动的月历。
机械学家和教育家刘仙洲教授深入分析了浑天仪中的齿轮系统，发现其在控制浑象的日转和蓂荚的升降中发挥了关键作用。浑象每日一转，通过精心设计的齿轮比例，确保齿轮系中的相应齿轮的转数等于浑象的转数。同时，利用漏壶对水力进行微调，进一步确保了浑象的准确日转。
浑天仪的齿轮通过精密的传动，不仅提升了计时的准确性，也为古代天文学家提供了观测天体的有力工具，深化了人们对宇宙运行规律的理解。它的出现，展现了中国古代天文学发展的卓越成就。
小小齿轮润滑无声地运转在时代的长河中，催生了无数科技革新。在农业、科技和天文等众多领域，齿轮的应用广泛而深远，它们不仅为古代社会的发展提供了坚实的技术支撑，也为人类文明的进步作出了不可磨灭的贡献。
（作者单位：中央民族大学信息工程学院）
